211service.com
Sömlöst smälter människa och maskin
Ett nytt implantat med muskelceller kan bättre integrera proteser med kroppen, vilket ger amputerade större kontroll över robotbihang. Konstruktionen, utvecklad vid University of Michigan, består av små koppar, gjorda av en elektriskt ledande polymer, som passar på nervändar och attraherar de avskurna nerverna. Elektriska signaler som kommer från nerven kan sedan översättas och användas för att flytta lemmen.
Levande gränssnitt: Muskelceller (visas här) odlas på en biologisk ställning. Avskurna nerver som finns kvar från den förlorade extremiteten ansluter till muskelcellerna i gränssnittet, som överför elektriska signaler som kan användas för att kontrollera den konstgjorda armen.
Det här ser ut som att det kan vara ett elegant sätt att kontrollera en protes med finrörelser, säger Rutledge Ellis-Behnke, en forskare vid MIT som inte var involverad i forskningen. Istället för att ha en stor stum plastbit fastspänd på armen, kan du faktiskt ha ett integrerat verktyg som känns som att det är en del av kroppen.
Idag är rörelsen för de flesta proteser ansträngande och begränsad. Lemmarna styrs av medveten rörelse av kvarvarande muskel - bäraren kan till exempel dra ihop en bröstmuskel för att flytta armen i en viss riktning. Att koppla kvarvarande nerver direkt till konstgjorda lemmar skulle ge ett mer intuitivt sätt att kontrollera dem. Men ansträngningarna att bygga perifera nervgränssnitt har till stor del hämmats av tillväxten av ärrvävnad, vilket begränsar användbarheten och hållbarheten hos implanterade enheter.
Den hittills mest framgångsrika metoden för att kontrollera en protes är ett kirurgiskt ingrepp där nerver som tidigare var fästa vid muskler i en förlorad arm och hand transplanteras in i bröstet. När bäraren funderar på att röra handen drar bröstmusklerna ihop sig, och dessa signaler används för att kontrollera lemmen. Även om det är en stor förbättring jämfört med befintliga metoder, ger detta tillvägagångssätt fortfarande en begränsad kontrollnivå - endast cirka fem nerver kan transplanteras till bröstet.
Det nya gränssnittet, utvecklat av plastikkirurg Paul Cederna och kollegor, bygger på detta koncept och använder transplanterade muskelceller som mål snarare än intakta muskler. Efter att en lem är avskuren fortsätter nerverna som ursprungligen var fästa vid den att gro och letar efter en ny muskel att ansluta till. (Denna biologiska process kan ibland skapa smärtsamma tovor av nervvävnad, kallade neurom, i spetsen av den avskurna extremiteten.) Nerven skickar hela tiden signaler nedströms för att tala om för handen vad den ska göra, även om handen inte är där, säger Cederna. Vi kan tolka dessa signaler och använda dem för att köra en protes.
Gränssnittet består av en liten skålliknande struktur cirka en tiondels millimeter i diameter som implanteras kirurgiskt i slutet av nerven, och vidarebefordrar både motoriska och sensoriska signaler från nerven till protesen. Inuti koppen finns en byggnadsställning av biologisk vävnad sådd med muskelceller – eftersom motoriska och sensoriska nerver gör kopplingar till muskler i frisk vävnad, utgör muskelcellerna ett naturligt mål för vandrande nervändar. Den avskurna nerven växer in i koppen och ansluter till cellerna och överför elektriska signaler från hjärnan. Eftersom den är belagd med en elektriskt aktiv polymer, fungerar koppen som en tråd för att fånga upp elektriska signaler och överföra dem till en robotarm. Cedernas team utvecklar inte proteser själva, men han säger att signalerna kan överföras via befintlig trådlös teknik.
Hittills har forskare testat gränssnittet hos gnagare med en avskuren perifer nerv, vilket visar att nerven kommer att växa in i koppen och skapa förbindelser med muskelcellerna. Om de kan hålla nervcellens ände intakt i det området är det ett stort genombrott, säger Ellis-Behnke. Nerverna hos råttor är ungefär lika stora som de som skulle riktas mot människor. Forskningen presenterades idag vid en konferens av American College of Surgeons i Chicago.
Enheten kan också mata tillbaka känslan till sensoriska nerver, som förmedlar värme, tryck och annan information från huden till hjärnan. Liksom motoriska nerver gör sensoriska nerver anslutningar till muskelcellerna i koppen. I gnagartester täckte forskare två nerver i ett enda djur - en motorisk och en sensorisk. Medan råttan inte hade en protes kunde forskare visa att implantatet kunde överbrygga den avskurna nerven och överföra neurala meddelanden över den; kittlande råttans fot utlöste muskelcellaktivitet i implantatet.
Sensorisk förmåga är en stor saknad komponent i dagens proteser – taktil, tryck och temperaturåterkoppling är avgörande för att plocka upp ett ömtåligt ägg eller en het panna. I slutändan kan proteser utrustas med värme- eller trycksensorer som kan överföra den informationen till muskelceller i gränssnittet och låta denna information skickas till hjärnan.
Forskningen är fortfarande i ett tidigt skede och ett antal frågor återstår att besvara. Vi måste ta reda på hur lång tid det tar för anslutningarna att bli funktionella och vad hållbarheten och robustheten blir, säger Joseph Pancrazio , en programdirektör vid National Institute for Neurological Disorders and Stroke, som inte var involverad i forskningen. Men det ser väldigt spännande ut. Forskningen finansieras av försvarsdepartementet.
Ett av de största problemen med neurala implantat hittills har varit stabiliteten hos enheterna, eftersom implanterade elektroder ofta blir belagda med ärrvävnad och slutar fungera. Hittills, under de sex månader som forskarna har bedömt gränssnitten hos råttor, har det inte funnits några tecken på ärrbildning. Även om forskarna inte är säkra på varför, kan det vara så att koppen skyddar implantatet från de inflammatoriska reaktioner som leder till ärrbildning, eller att tillhandahållandet av ett mål för nervcellerna dämpar dessa reaktioner helt och hållet genom att återskapa en mer normal miljö för den avskurna nerven. Forskarna övervakar nu implantaten dagligen för att bestämma deras hållbarhet över tid.
Ett särskilt lovande tidigt fynd är dock att vävnaden som omger gränsytan växer fram nya blodkärl för att mata de implanterade muskelcellerna och förse dem med de näringsämnen de behöver för att överleva.
Det är ännu inte klart hur många av dessa nervskyddspatienter skulle behöva för adekvat kontroll över en sofistikerad konstgjord lem. Någon som har tappat armen i axelhöjd, till exempel, skulle behöva tillräckligt med nervkåpor för att böja och sträcka ut armbågen, handleden och fingrarna, såväl som för sensoriska nerver. Den enda gränsen, säger Cederna, kommer att vara hur högteknologiska de kan göra proteserna.